[发明专利]全自动机器人零点标定的系统内置测量相对精度方法

权利要求书

1.一种全自动机器人零点标定的系统内置测量相对精度方法，其特征在于按以下步骤进行：

（一）、硬件结构配置：

包括一个六轴以上的机器人、一个包含电主轴的装夹、一个旋转台和一个刀具长度测量传感器，机器人设在旋转台上且沿旋转台进行旋转，机器人的头部设有包含电主轴的装夹，装夹的下方设有与装夹呈对应分布的刀具长度测量传感器；

（二）、软件控制配置：

①、七轴伺服控制器：机器人本体轴（5b），一个旋转台（5c），一个电主轴控制器（5a）来控制所有轴的位置、速度和加速度； CNC通过一个传感器信号接收器去读取传感器的开/关信号(5d)；

②、一个由人机交互界面软件，插补软件（6c）组成的CNC主控制器来控制所有轴的同步性，PLC软件来控制系统的逻辑控制；一个数控程序代码标准(6a)的程序由G代码和M代码组成，其可以用来编写加工雕塑，用来执行全自动化测量系统宏程序；CNC使用G31这个跳过指令和一个测量传感器结合起来使用去测量准确的测量位置(6b)；一个有着可以计算机器人在世界坐标系和关节坐标系的计算能力和切换两个坐标系能力的CNC主控制器(6d)；一个有着可以计算机器人所有可能的姿态的计算能力的CNC主控制器(6e)；

③、一个允许操作者去建立、修改和执行标定系统宏程序的操作面板（7）；

（三）、解耦的对称位置步骤：

使用刀具测量设备通过两个对称的位置来测量刀具的直径，使用跳过指令G31来测量刀具的Z向高度或者测头水平位置，与测量刀具长度所用的垂直方式不同，在水平位置找到两个对称的位置，测量在高度上的误差，然后从中导出机器人单轴全局零点的漂移；

全局零点漂移含义：单个轴的漂移+电主轴支架的不完美性造成的角度偏移；通过CNC控制器的计算能力推荐出一个更恰当的偏移数值给轴；

将机器人的六个轴定义为C1到C6；

ZR: 代表机器人末端的Z轴；

ZS: 代表电主轴的Z轴；

对刀仪的坐标由CNC的参数中定义，这个坐标跟随后用到的所有测量坐标都是一样的；

对于对刀仪的坐标并不需要一个十分精确的数值，通过手动移动机器人到达位置后进行设定，且可以通过眼睛观察是否已经到达对刀仪的中心；

各个轴 i 的零点漂移由标签δCi来表示：

Z方向上和末端δz的改变，

由于轴 i上的δCi上对于微小的改变是十分敏感的,且标签定义为: Si=δz/ δCi；

将会定义若干个对称位置组，通过这些来计算在测量的对刀仪高度上的每个轴的零点漂移的影响；

第一对对称位置分析：

①、位置A:这六个轴从C1到C6控制如下：

C4 为零；

C6 为90度；

机器人的Z轴ZR为垂直于地面；

C1,C2,C3和C5在满足上述条件下被计算到到达对刀仪在XYZ坐标系下的位置；

②、位置B:

C2,C3, C4 (=0) 和 C5 在位置-A处于相同位置；

C4 同样为零；

C6 现在为-90度；

C1 被重新计算为使得末端到达对刀仪位置的右侧；

③、高度Z的敏感性：用对刀仪的位置来测量高度Z，同时考虑机器人每个轴C1到C6的敏感度，可以发现：

C1对于高度没有影响，C1的旋转并不意味着机器人高度Z会产生任何的变化；

C2将会造成巨大的影响，但是这个影响在位置A和位置B是一模一样的；

C3有着巨大的影响，但是这个影响在位置A和位置B也是一摸一样的；

C4同样有着巨大的影响，此外在位置A和位置B这个影响是相反的；

C5不会造成影响因为控制着机器人的Z轴垂直于地面，在C5上微小的改变对高度Z造成一个圆周影响，圆周的底部刚好在对刀仪坐标上；

C6不会造成影响因为控制着机器人的Z轴垂直于地面，这就意味着C6的旋转就跟C1轴一样；

通过在两个位置简单的高度Z检测验证和计算 C4 轴基于在位置A和位置B上的差异得出的零点漂移；

由于它仅仅关系到一个轴，使用一个试错法去校准，对C4改变一点点零点偏移然后再重新测量一遍；

利用CNC控制器，最好计算偏移的准确值的具体步骤：

假设第 i 轴在高度Z下的敏感度为：

Si =δz/δCi；

然后在位置A和对称的位置B的敏感度差异为：

2.Si = 2.δz/δCi；

假设测得高度Z

of Za 在位置A；

和 Zb 在位置B；

于是第i轴的偏移δCi可以被计算为:

2.δz/δCi =(Za-Zb)；

δCi = 2.δz/(Za-Zb）；

第二对对称位置分析：

①、位置A:这六个轴从C1到C6控制如下：

C4为90度,C5为-90度,在这个状态下机器人的Z轴平行于地面；

C1,C2,C3和C6在满足上述条件下末端被计算到到达对刀仪在XYZ坐标系下的位置，且刀具的Z轴平行于地面；

②、位置B:

C1,C2和C3完全一模一样；

C4,C5和C6在互补的镜像位置；

C4 =-90 度,C5 = 90度,C6b =C6a–180；

通过在这两个位置简单的高度Z检测可以验证和计算C5轴基于在位置A和位置B；

第三对对称位置分析：

①、位置A:

这六个轴从C1到C6控制如下：

C4为零；

C6为90 度；

机器人的Z轴ZR平行与地面；

C1,C2,C3和C5在满足上述条件下末端被计算到到达对刀仪在XYZ坐标系下的位置；

②、位置B:

C2,C3, C4(=0)和C5跟位置A一样；

C4也为零；

C6现在为-90度；

C1被重新计算为使得末端到达对刀仪位置的右侧；

这个跟第一对对称位置十分相似，除了ZR现在并不是垂直于地面而是平行与地面；

通过在这两个位置简单的高度Z检测可以验证和计算C6轴基于在位置A和位置B上的差异得出的零点漂移；

（四）、耦合的位置分析：

步骤（三）中对三对对称的位置进行分析，从中直接推导出轴C4，C5和C6的零点漂移；

使用五个耦合的位置对来解一个5x5的矩阵来找到每个轴的零点漂移；

不需要去设置C1的零点，这个零点将会被集成再机器人的Z轴和转台的Z轴对齐的时候；

假设有两个位置A和B且由敏感度S2a … S6a和S2b … S6b；

且敏感度差值表示为S2ba … S6ba，依次为：

C2：S2ba=S2b-S2a；

C3：S3ba=S3b-S3a；

C4：S4ba=S4b-S4a；

C5：S5ba=S5b-S5a；

C6：S6ba=S6b-S6a；

假设测量Z的高度在位置A有Za和在位置B有Zb；

然后高度Z的差值取决于所有轴且表示为：

S2ba.δC2 + S3ba.δC3+ S4ba.δC4+S5ba.δC5 + S6ba.δC6 = (Zb-Za) =Zba

总共定义了五个任意位置对A, B, C, D 和 E,且测量获得高度 Za, Zb, Zc, Zd andZe,

有五个方程和五个变量:

S2ba.δC2 + S3ba.δC3 + S4ba.δC4 + S5ba.δC5 + S6ba.δC6= Zba；

S2cb.δC2 + S3cb.δC3 + S4cb.δC4 + S5cb.δ C5 + S6cb.δC6 = Zcb；

S2dc.δC2 + S3dc.δC3 + S4dc.δC4 + S5dc.δ C5 + S6dc.δC6 =Zdc；

S2ed.δC2 + S3ed.δC3 + S4ed.δC4 + S5ed.δC5 + S6ed.δC6 =Zed；

S2ae.δC2 + S3ae.δC3 + S4ae.δC4 + S5ae.δC5 + S6ae.δC6 =Zae；

矩阵形式：

所有的位置都是“独立的”或者“不耦合的”，敏感度矩阵的逆是存在的，且关于每个轴的零点漂移可以由以下给出:

这个方法有效的提供了找到独立的位置；

能够测量机器人在相反的姿态，C2表明能够为负值，C1能够被旋转180度去使得机器人的末端到达对刀仪的位置；

（五）、旋转台对齐方式：

需要测量旋转台的中心和转台轴；将一个测头安装在机器人上；

选择一个点在转台的一侧，测量他的XY坐标在机器人的世界坐标系系统中；

这个转台可以为圆形或者正方形甚至任意形状；

选择一个点，机器人跟着转台一起旋转，同时测量同一个点的XY坐标在不同的8个转台的角度上；从这8个点可以计算出转台最佳拟合圆的圆心；

从数学理论上3个点已经满足，随着点数的增加更好的精度也会获得；

选择一个在转台表面上的点来测量其在机器人坐标系系统下的Z坐标；转台的表面没有必要必须为平面的；

选择一个点然后让机器人跟着转台一起旋转，随后测量在同一个点在不同的8个角度上的Z坐标，从这些8个点中计算得出最佳拟合平面的法向量。